厌氧氨氧化系统NO2--N来源不足时通过Fe2+和Fe3+循环转化实现高效脱氮的方法

本发明涉及一种厌氧氨氧化系统no2--n来源不足时通过fe2+和fe3+循环转化实现高效脱氮的方法，属于污水生物处理。

背景技术：

1、随着人类活动和社会经济的飞速发展，生态环境问题成为全球性焦点问题。其中，对水资源的不合理利用和过分攫取使水污染问题凸显，以氮、磷为主的污染物大量排放导致水体富营养化频发，且有日益严重的趋势。脱氮除磷已成为当今污水处理领域的重大课题，高效的脱氮除磷工艺亟待开发。传统的硝化反硝化工艺操作简单、易于控制，是目前我国污水脱氮的主要方式。然而，该工艺需要大量曝气和外加碳源以保证脱氮性能，现阶段迫切需要开发节能高效、二次污染风险小的新型污水脱氮技术，以助力实现污水处理减污降碳协同增效目标。

2、厌氧氨氧化工艺被认为是一种高效、节能的废水处理方法，其在厌氧条件下以no2--n为电子受体，利用厌氧氨氧化菌将nh4+-n直接氧化为n2，不需要投加碳源，反应过程无n2o生成，可节约近60％的曝气量和100％的有机碳源；此外，剩余污泥产量可减少80％。目前反应基质no2--n来源不足是厌氧氨氧化技术推广应用的瓶颈问题，且生成的11％的no3--n使其出水难以满足日益严格的污水排放标准。

3、铁化合价可以从-2至+6价，具有很好的生物相容性和环境友好性。近些年发现，fe3+可以作为电子受体通过厌氧铁氨氧化将nh4+-n氧化为n2、no2--n和no3--n，同时fe3+被还原为fe2+(方程式1-3)。厌氧铁氨氧化的发现为厌氧条件下nh4+-n的去除提供了一种新视角，在厌氧氨氧化系统电子受体no2--n来源不足时，fe3+可以作为电子受体氧化nh4+-n以维持系统脱氮性能。此外生成的fe2+可以与厌氧氨氧化副产物no3--n发生硝酸盐依赖型fe2+氧化，将no3--n还原为n2(方程式4)，进而提高总氮去除效率。厌氧铁氨氧化和硝酸盐依赖型fe2+氧化在fe的转化上是互逆的，二者的耦合可以实现fe2+和fe3+之间的循环转化，进而降低外加fe源需求。三个反应均是在厌氧条件下发生的自养脱氮过程，不需要曝气和外加碳源，污泥产量和温室气体排放低，具有巨大的经济和环境效益。

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技术实现思路

1、本发明提供了一种厌氧氨氧化系统no2--n来源不足时通过fe2+和fe3+循环转化实现高效脱氮的方法，目的是通过厌氧铁氨氧化解决厌氧氨氧化在no2--n来源不足时其脱氮性能下降问题，同时通过硝酸盐依赖型fe2+氧化去除厌氧氨氧化副产物no3--n，进而提高总氮去除效率，实现高效脱氮。

2、一种厌氧氨氧化系统no2--n来源不足时通过fe2+和fe3+循环转化实现高效脱氮的方法，其特征在于通过厌氧铁氨氧化耦合硝酸盐依赖型fe2+氧化实现fe2+和fe3+的循环转化；厌氧氨氧化系统no2--n不足时，厌氧铁氨氧化以fe3+为电子受体氧化nh4+-n，fe3+被还原为fe2+；之后fe2+将厌氧氨氧化生成的no3--n通过硝酸盐依赖型fe2+氧化进一步还原为n2，fe2+被氧化为fe3+；通过fe2+和fe3+的循环转化提高系统内nh4+-n和no3--n去除效率，进而实现高效脱氮，具体步骤如下：

3、(1)配制模拟废水，nh4+-n和no2--n分别由nh4cl和nano2提供，浓度分别为200±5mg/l和150±5mg/l；其他常量元素包括0.05g/l的mgso4·7h2o，0.05g/l的cacl2·2h2o，1.0g/l的nahco3，0.027g/l的kh2po4；此外每升模拟废水添加1.5ml微量元素；微量元素的组成为：5g/l的edta，0.25g/l的cuso4·5h2o，0.43g/l的znso4·7h2o，0.014g/l的h3bo4，0.99g/l的mncl2·4h2o，0.22g/l的na2moo4·2h2o和0.24g/l的cocl2·6h2o；

4、(2)以厌氧氨氧化污泥为接种污泥富集培养厌氧铁氨氧化和硝酸盐依赖型fe2+氧化微生物，将接种污泥置于序批式厌氧反应器中，然后加入配制的模拟废水，控制反应器内接种污泥浓度在3000～4000mg/l；培养过程中温度控制在30±2℃；一个完整的培养周期包括：进水5～10min、搅拌23h、沉淀30～40min、排水5～10min，排水比为60％～70％；每周期进水完成后向反应器中投加fe2o3，使反应器内fe2o3浓度每周期递增5mg/l，此条件下运行25～30个周期；之后提高fe2o3投加量，使反应器内fe2o3浓度每周期递增10mg/l，运行45～50个周期；每天监测出水nh4+-n、no2--n和no3--n浓度直至nh4+-n和tn去除效率稳定在85％以上，厌氧铁氨氧化和硝酸盐依赖型fe2+氧化微生物富集培养完成；

5、(3)富集培养完成后停止投加fe2o3，进入废水生物脱氮运行阶段，水温控制在25～30℃，污泥浓度3000～3500mg/l；将废水通过蠕动泵输入序批式厌氧反应器中，废水中no2--n和nh4+-n浓度比值为0.75～1.32；一个完整的废水处理周期包括进水5～10min，搅拌23h，之后沉淀30～40min，排水5～10min，排水比为60％～70％；之后继续向反应器中输入废水进入下一个周期的生物脱氮。

6、本发明的创新点

7、(1)通过富集厌氧铁氨氧化和硝酸盐依赖型fe2+氧化微生物实现fe2+和fe3+的循环转化，减少外加fe源需求；

8、(2)厌氧铁氨氧化以fe3+为电子受体氧化nh4+-n，在厌氧氨氧化系统no2--n不足时提高了nh4+-n的去除效率，此外生成的fe2+可以通过硝酸盐依赖型fe2+氧化将厌氧氨氧化生成的no3--n还原为n2，进而提高总氮去除效率；

9、(3)fe2+和fe3+循环对于短程硝化-厌氧氨氧化(pn/a)提高脱氮效率具有重要意义，不仅解决了pn/a产生的no3--n问题，且在低曝气能耗下增强了厌氧条件下nh4+-n的去除，降低了pn过程稳定控制的难度，减少了氧化nh4+-n到no2--n所需的曝气量。

10、本发明的有益效果

11、(1)以厌氧氨氧化污泥为种泥，通过投加fe2o3培养驯化厌氧铁氨氧化和硝酸盐依赖型fe2+氧化微生物，可以在单一反应器内实现fe2+和fe3+循环转化并同厌氧氨氧化耦合，操作简单，不需要持续添加fe源；

12、(2)厌氧氨氧化、厌氧铁氨氧化和硝酸盐依赖型fe2+氧化均是在厌氧条件下发生的自养脱氮过程，不需要曝气和外加碳源，污泥产量和温室气体排放低，具有巨大的经济和环境效益；

13、(3)fe2+和fe3+循环能够在厌氧氨氧化缺乏底物no2--n时提升系统脱氮性能，为解决no2--n来源不足限制其工程应用的问题提供了一种新思路。

技术特征：

1.一种厌氧氨氧化系统no2--n来源不足时通过fe2+和fe3+循环转化实现高效脱氮的方法，其特征在于通过厌氧铁氨氧化耦合硝酸盐依赖型fe2+氧化实现fe2+和fe3+的循环转化；厌氧氨氧化系统no2--n不足时，厌氧铁氨氧化以fe3+为电子受体氧化nh4+-n，fe3+被还原为fe2+；之后fe2+将厌氧氨氧化生成的no3--n通过硝酸盐依赖型fe2+氧化进一步还原为n2，fe2+被氧化为fe3+；通过fe2+和fe3+的循环转化提高系统内nh4+-n和no3--n去除效率，进而实现高效脱氮，具体步骤如下：

技术总结一种厌氧氨氧化系统NO<subgt;2</subgt;<supgt;‑</supgt;‑N来源不足时通过Fe<supgt;2+</supgt;和Fe<supgt;3+</supgt;循环转化实现高效脱氮的方法，属于污水生物处理领域。在NO<subgt;2</subgt;<supgt;‑</supgt;‑N不足情况下，通过向反应器内投加Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，培养驯化厌氧铁氨氧化和硝酸盐依赖型Fe<supgt;2+</supgt;氧化微生物，实现Fe<supgt;2+</supgt;和Fe<supgt;3+</supgt;的循环转化。NO<subgt;2</subgt;<supgt;‑</supgt;‑N不足时，剩余的NH<subgt;4</subgt;<supgt;+</supgt;‑N通过以Fe<supgt;3+</supgt;为电子受体的厌氧铁氨氧化途径被去除，Fe<supgt;3+</supgt;被还原为Fe<supgt;2+</supgt;；Fe<supgt;2+</supgt;同厌氧氨氧化副产物NO<subgt;3</subgt;<supgt;‑</supgt;‑N通过硝酸盐依赖型Fe<supgt;2+</supgt;氧化进一步反应，去除NO<subgt;3</subgt;<supgt;‑</supgt;‑N。Fe<supgt;2+</supgt;和Fe<supgt;3+</supgt;的循环转化提高了系统内NH<subgt;4</subgt;<supgt;+</supgt;‑N和NO<subgt;3</subgt;<supgt;‑</supgt;‑N的去除效率，在进水NO<subgt;2</subgt;<supgt;‑</supgt;‑N比NH<subgt;4</subgt;<supgt;+</supgt;‑N为0.75时，NH<subgt;4</subgt;<supgt;+</supgt;‑N和TN去除效率也能稳定在90％以上。本发明无需曝气和外加碳源，污泥产量和温室气体排放低，且通过Fe<supgt;2+</supgt;和Fe<supgt;3+</supgt;循环转化降低了外加Fe源需求。技术研发人员：曾薇,郝小静,李健敏,詹孟佳,宫庆腾,苗豪豪受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23